無線傳感器網絡的數據采集系統設計

康瑤 王群

摘 要：本設計介紹了由多種傳感器節點組成的無線傳感器網絡來采集數據，每個節點以CC2530芯片為主要結構，不同的傳感器節點以組成網絡的方式連接在一起，傳感器將采集的信息存儲到CC2530芯片的閃存中，由CC2530芯片通過無線射頻裝置進行數據傳輸，逐級傳輸給匯聚節點。通過本設計，可以實現對環境中煙霧濃度、光線亮度以及土壤濕度等數據的實時監測。

關鍵詞：傳感器；節點；無線傳感器網絡；CC2530；

一、系統總體結構

在本設計中，無線傳感器網絡的實現是在采用IEEE 802.15.4協議基礎上形成的Zigbee無線短距離傳輸協議，通過兩個終端節點和一個路由節點組成一個網絡。這些設備分別搭載著功能各異的傳感器，分別是煙霧、光敏以及土壤濕度傳感器。這些傳感器所處的終端節點會收集它們所能感知的數據，并且可以通過LCD液晶顯示器顯示出來。在本設計中由于終端個數有限，暫時展示三個節點上的信息。在傳感器的選擇上，此次系統將選擇土壤濕度傳感器，煙霧傳感器和光敏傳感器來使用。主要為室內農作物的培育提供一定的科學依據，土壤濕度傳感器檢測農作物生存的土壤環境，煙霧傳感器檢測農作物生長的氣體環境，光敏傳感器檢測農作物生長的光強環境，以保證農作物可以正常養成。

二、硬件設計

（一）CC2530芯片

CC2530芯片可以使用廉價的制作材料來創立一個功能十分優越的網絡設備。在此次系統設計中使用256K版本的CC2530芯片，原因有：低功耗，可以切換主動、供電模式和電壓限制；微控制器，具有非常優良的性能，可以完好無損的保存數據、預取代碼、調試硬件；RF/布局，具有極強的抗干擾能力，接收數據非常準確而且靈敏，靈敏度非常高；支持多種外設。

（二）MQ-2煙霧傳感器

MQ-2煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在我們平常清潔空氣時電導率相對來說很低的二氧化錫。選擇MQ-2的原因有很多，其一是因為它對諸如氫氣、甲烷、液化氣之類的可燃性氣體的檢測效果都比較好，適用范圍廣且靈敏度較高；其二是因為在特定的工作環境中（比如二百到三百的高溫）下能檢測到煙霧的存在；其三是因為它設計比較簡單，制作方便，在成本方面的控制比較好。

（三）光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器。它能感應到多種可見的和不可見的光信號，在適用場合，靈敏度和造價方面效果都比較好。本設計中光敏傳感器與CC2530芯片連接在一起，作為一個終端傳感器節點，實時監測光的強度信息，并將這些信息發送給上一級節點協調器。

（四）土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器是利用對濕度敏感元器件將濕度信號轉化為電信號的傳感器。特點是在元器件的主要探測部位用一層對濕度敏感的材料所作成的一種膜狀物進行全部涂抹。這樣當土壤濕度傳感器在監測地工作時，其探測部位的電阻或電容就會隨著空氣或土壤中的水汽碰到感濕膜而發生變化，通過一定的轉化變成數據被采集到。

三、 軟件設計

（一）系統軟件設計

本次系統的無線傳感器網絡構成中有一個協調器設備、一個路由設備和兩個終端設備。終端設備只能給協調器發送信息，它們之間不能相互發送信息。協調器在終端設備申請加入系統時給它生成準確代表它身份的標識，以便能準確高效地管理這個終端設備的工作。路由設備既可以收集信息，又能夠實現終端設備信息的相互傳輸。當終端設備在協調器輻射不到的范圍外，終端設備先把信息傳輸給路由設備，然后路由設備再把信息傳輸給協調器。終端設備與路由設備成功進入系統后，協調器設備會不停地獲得由收集設備采集的信息，同時協調器也可以將信息傳送到計算機。

（二）協調器節點設計

在無線傳感器網絡的整體設計中，協調器設備會發起組建一個無線傳感器網絡并且負責接受或否定其他設備的入網和退網的申請。此外它還有接收搭載傳感器的終端設備收集來的數據的功能經過整合加工以后傳輸給上一級設備。協調器作為網絡的核心，需要具有把設備進行初始化，然后組網，并且控制傳感器節點的入網出網，這些功能需要通過軟件來實現。協調器上電后會組建新網，然后自主掃描周圍是否存在有相關的終端設備發起入網的請求，如果存在這樣的請求，協調器會通過NWK給新終端設備分配可以唯一識別的標識。當協調器需要進行查看信息的時候，會向收集信息的設備發出指令，要求其把感知到的信息收集并傳輸給協調器，進行存儲和調用展示。

（三）路由節點設計

在此次設計中由于是室內短距離傳輸數據所以路由節點是作為終端節點使用的，它在實際應用中的作用是搭建協調器與終端的通信路徑，無線傳感器網絡通過路由設備可以無限的擴大范圍，進行大規模的數據采集。路由節點在WSN網絡系統中的重要功能是發現網絡，并在系統中搭建協調器與終端通信的路徑。當兩個終端設備需要進行傳輸信息但是又在它們不可及的范圍內的時候，其中一個設備會將數據傳遞給距離目標設備較近的路由節點，然后路由節點通過再次選擇合適的路線，將信息發送給目標設備。

（四）終端節點設計

在此系統中終端傳感器節點設備作為最基礎的設備進行各種數據的采集，它在接上電源后會在自己的監測范圍內搜尋可以連接的網絡。如果在范圍內有可以連接網絡的情況下，它會向這個網絡的發起者申請加入此網絡。發起者同意后會向傳感器設備分配一個唯一可識別的網絡地址，作為其入網的身份。終端傳感器設備成功進入網絡后可以將采集的信息不斷地傳送給網絡發起者，以供其使用。

四、軟件調試及總結

對程序進行修改和優化，使整個系統能夠正常運行。在此次設計中我們是使用IAR集成編譯器進行軟件調試，經測試各個節點自身性能穩定，采集信息準確性高，整個系統不會因某個節點故障而出現問題，系統信息采集準確可靠，運行穩定。

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【4】楊鶴.無線傳感器網絡節能路由協議研究[D]. 南京郵電大學， 2013.

【5】韓凱州.無線水位傳感器的研究[D]. 太原理工大學， 2015.

作者簡介：

康瑤，1995 年03月14日，女，彝族，貴州省六盤水市人；職稱：學生；單位：鄭州大學物理工程學院；專業：物理電子專業；研究方向：單片機

王群，1995 年09月27日，男，漢族，河北省唐山市人；職稱：學生；單位：鄭州大學物理工程學院；專業：物理電子專業；研究方向：單片機